第7章頻率調(diào)制與解調(diào)061120

1、第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 第第7章章 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào) 7.1 調(diào)頻信號分析調(diào)頻信號分析 7.2 調(diào)頻器與調(diào)頻方法調(diào)頻器與調(diào)頻方法7.3 調(diào)頻電路調(diào)頻電路7.4 鑒頻器與鑒頻方法鑒頻器與鑒頻方法 7.5 鑒頻電路鑒頻電路 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) u 熟練掌握頻率調(diào)制的原理與實現(xiàn)。熟練掌握頻率調(diào)制的原理與實現(xiàn)。u熟練掌握頻率鑒頻的原理。熟練掌握頻率鑒頻的原理。u 熟掌握頻率調(diào)制的原理與實現(xiàn)熟掌握頻率調(diào)制的原理與實現(xiàn)。學(xué)習(xí)目的重點難點第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.1 調(diào)頻信號分析調(diào)頻信號分析 角度調(diào)制角度調(diào)制(angle modulation)：頻率調(diào)制頻率調(diào)制(frequecy modu

2、lation)和和相位調(diào)制相位調(diào)制(phase modulation)。頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：調(diào)頻信號的調(diào)頻信號的頻率頻率與與調(diào)制信號調(diào)制信號成成正比正比，振振幅恒定幅恒定。調(diào)頻信號的解調(diào)。調(diào)頻信號的解調(diào)鑒頻鑒頻。相位調(diào)制：相位調(diào)制：調(diào)相信號的調(diào)相信號的相位相位與與調(diào)制信號調(diào)制信號成成正比正比，振振幅恒定幅恒定。調(diào)相信號的解調(diào)。調(diào)相信號的解調(diào)鑒相鑒相。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.1.1 7.1.1 調(diào)頻信號的參數(shù)與波形調(diào)頻信號的參數(shù)與波形設(shè)調(diào)制信號設(shè)調(diào)制信號: : u(t)=Ucost 未調(diào)載波信號：未調(diào)載波信號： uC=UCcosct調(diào)頻信號的調(diào)頻信號的瞬時角頻率瞬時角頻率：( )( )( )

3、cosccfcmttk utt(71) 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) Kf：比例常數(shù)。比例常數(shù)。 最大角頻偏最大角頻偏。調(diào)頻信號的瞬時相位調(diào)頻信號的瞬時相位 ： ：信號的起始角頻率。：信號的起始角頻率。不妨設(shè)不妨設(shè) =0，則有：，則有：Ukwfm00( )( )ttd （72） 0( )( )sinsin( )tmccfctdttt mtt （73） 0)(t0第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻指數(shù)：調(diào)頻指數(shù)： FM波的表示式為波的表示式為mfmsin( )cos(sin)RefejmtjtFMCcfCutUt mtU ee (74) 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 三個重要的參數(shù)：三個重要的參數(shù)：Kf：調(diào)頻靈敏

4、度。調(diào)頻靈敏度。最大角頻偏最大角頻偏(frequency deviation)： ；最；最大頻偏：大頻偏： 。衡量信號。衡量信號頻率受調(diào)制程度的重要參數(shù)。頻率受調(diào)制程度的重要參數(shù)。調(diào)頻指數(shù)調(diào)頻指數(shù)mf：mw2/mmwfUkwfmFfwmmmf/第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.1.2 調(diào)頻波的頻譜、帶寬和功率調(diào)頻波的頻譜、帶寬和功率調(diào)頻波頻譜：調(diào)頻波頻譜：由許多分量組成：由許多分量組成：wc， ，即由即由載波頻載波頻率率和和對稱的邊頻對稱的邊頻。各頻率幅度取決于調(diào)制指數(shù)各頻率幅度取決于調(diào)制指數(shù)mf。帶寬帶寬：所有的頻率范圍。但無實際意義。：所有的頻率范圍。但無實際意義。 nwc第7章 頻率調(diào)制與解調(diào)

5、 調(diào)頻波的帶寬公式：調(diào)頻波的帶寬公式： Bs=2(mf+1)F=2(fm+F) （711)更準(zhǔn)確的調(diào)頻波帶寬計算公式為更準(zhǔn)確的調(diào)頻波帶寬計算公式為 2(1)sffBmmF（712） CLFMURP221調(diào)頻功率為：調(diào)頻功率為：結(jié)論：結(jié)論：調(diào)頻波的平均功率等于載波的平均功率，調(diào)頻波的平均功率等于載波的平均功率，即總功率不變，只是分配到邊頻即總功率不變，只是分配到邊頻。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.1.5 調(diào)頻波與調(diào)相波的比較調(diào)頻波與調(diào)相波的比較 1調(diào)相波調(diào)相波調(diào)相波：調(diào)相波：瞬時相位瞬時相位以未調(diào)以未調(diào)載波相位載波相位c為中心為中心按按調(diào)制信號規(guī)律變化調(diào)制信號規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。的等幅高頻振蕩

6、。u(t)=Ucost，并令，并令0=0，則，則調(diào)相波的調(diào)相波的瞬時相瞬時相位：位： (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 調(diào)相信號調(diào)相信號： uPM(t)=UCcos(ct+mpcost)調(diào)相波的最大相偏調(diào)相波的最大相偏(phase deviation)：mp=kpU調(diào)相波的瞬時頻率調(diào)相波的瞬時頻率最大頻偏：最大頻偏：( )( )sinsincpcmdttmttdt Ummwppm第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 調(diào)相信號帶寬：調(diào)相信號帶寬： Bs=2(mp+1)F (719) 調(diào)頻與調(diào)相異同分析調(diào)頻與調(diào)相異同分析。 圖圖79 調(diào)頻與

7、調(diào)相的關(guān)系調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系 FM積分調(diào)相u(a)PM微分調(diào)頻u(b)第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 結(jié)論：結(jié)論：角度調(diào)制角度調(diào)制是是非線性調(diào)制非線性調(diào)制：在單頻調(diào)制時會出現(xiàn)：在單頻調(diào)制時會出現(xiàn)（cn）分量，在多頻調(diào)制時還會出現(xiàn)交叉調(diào)分量，在多頻調(diào)制時還會出現(xiàn)交叉調(diào)制（制（cn1k2+）分量。）分量。調(diào)頻的頻譜結(jié)構(gòu)與調(diào)頻的頻譜結(jié)構(gòu)與mf密切相關(guān)。密切相關(guān)。mf大大，頻帶寬頻帶寬。 角調(diào)方式與角調(diào)方式與AM制相比，有兩點優(yōu)勢：制相比，有兩點優(yōu)勢：設(shè)備利用率高，因其平均功率與最大功率一樣。設(shè)備利用率高，因其平均功率與最大功率一樣。 抗干擾性能好。抗干擾性能好。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.2 調(diào)頻器與調(diào)頻方法

8、調(diào)頻器與調(diào)頻方法 7.2.1 調(diào)頻器調(diào)頻器調(diào)頻特性：調(diào)頻特性：調(diào)頻器的調(diào)制特性。調(diào)頻器的調(diào)制特性。調(diào)頻特性曲線。調(diào)頻特性曲線。調(diào)頻特性的要求：調(diào)頻特性的要求：調(diào)制特性線性要好。調(diào)制特性線性要好。 調(diào)制靈敏度要高。調(diào)制靈敏度要高。 載波性能要好。載波性能要好。 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.3 調(diào)頻電路調(diào)頻電路(frequency modulation circuit)調(diào)頻電路調(diào)頻電路：直接調(diào)頻電路直接調(diào)頻電路和和間接調(diào)頻電路間接調(diào)頻電路。直接調(diào)頻電路直接調(diào)頻電路：變?nèi)荻O管（變?nèi)荻O管（varactor diode）直直接調(diào)頻電路接調(diào)頻電路；晶體振蕩器直接調(diào)頻電路；晶體振蕩器直接調(diào)頻電路；張弛張

9、弛振蕩器（振蕩器（relaxation oscillator）直接調(diào)頻電路。直接調(diào)頻電路。間接調(diào)頻電路：間接調(diào)頻電路：變?nèi)荻O管調(diào)相電路。變?nèi)荻O管調(diào)相電路。 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.3.1 直接調(diào)頻電路直接調(diào)頻電路 1.變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 1) 調(diào)頻原理調(diào)頻原理變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管結(jié)電容結(jié)電容C Cj j與在其兩端所加與在其兩端所加反偏電壓反偏電壓u u之間存在著如下關(guān)系之間存在著如下關(guān)系: :C C0 0: :零偏時的結(jié)零偏時的結(jié)電電容值容值；u u: :勢壘電位差勢壘電位差。0(1)jCCuu（721） 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 結(jié)電容變化指數(shù)結(jié)電容變化指數(shù)r

10、：由由PN結(jié)的雜質(zhì)分布決定。結(jié)的雜質(zhì)分布決定。緩變結(jié)：緩變結(jié)：1/3；突變結(jié)：突變結(jié)：1/2；超突變結(jié)：超突變結(jié)：15。 靜態(tài)工作點為靜態(tài)工作點為EQ時，變?nèi)荻O管結(jié)電容：時，變?nèi)荻O管結(jié)電容：0(1)jQQCCCEu（722） 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 在變?nèi)荻O管上加的調(diào)制信號電壓為在變?nèi)荻O管上加的調(diào)制信號電壓為u(t)=Ucost，則：，則：( )cosQQuEutEUt（723） 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 將式（將式（723）代入式（）代入式（721）, 得：得：m: 電容調(diào)制度，結(jié)電容隨調(diào)制信號調(diào)變的電容調(diào)制度，結(jié)電容隨調(diào)制信號調(diào)變的程度。程度。00cos(1)1(1cos)(1)(1

11、cos)jQQQQCCEUtuCEUtEuuCmt(724) 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 2) 調(diào)頻性能分析調(diào)頻性能分析實際電路中實際電路中Cj可以作為可以作為回路總電容回路總電容，也可，也可部分部分接入接入。Cj為回路總電容為回路總電容。此時振蕩頻率為：。此時振蕩頻率為：/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 當(dāng)當(dāng)=2，則有：，則有：結(jié)論：結(jié)論：瞬時頻率瞬時頻率與與調(diào)制電壓調(diào)制電壓成正比成正比。達(dá)到。達(dá)到調(diào)頻的目的。調(diào)頻的目的。( )(1cos)( )cctmtt )()(tuuEwtwQc第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 全接入型缺點：全接入型缺點： 2

12、2，會產(chǎn)生非線性調(diào)制失真。，會產(chǎn)生非線性調(diào)制失真。振蕩頻率穩(wěn)定度不好：振蕩頻率穩(wěn)定度不好：C CQ Q決定決定中心頻率中心頻率，而，而C CQ Q隨隨溫度溫度、電源電壓的變化電源電壓的變化等外界因素的影等外界因素的影響很大。響很大。部分接入：部分接入：通過對通過對變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管串并聯(lián)電容串并聯(lián)電容實現(xiàn)實現(xiàn)回路總電容回路總電容與與兩端電壓兩端電壓的特性關(guān)系調(diào)整。使的特性關(guān)系調(diào)整。使C Cu u之間的關(guān)系接近于之間的關(guān)系接近于當(dāng)當(dāng)=2。 ( (特性曲線特性曲線) )( (實際線路）實際線路）第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 2. 晶體振蕩器直接調(diào)頻電路晶體振蕩器直接調(diào)頻電路晶體振蕩器晶體振蕩器(cry

13、stal oscillator)：把可調(diào)電容：把可調(diào)電容C3由由變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管替代。替代。主要主要目的目的：穩(wěn)頻穩(wěn)頻。 （實際線路）（實際線路）振蕩頻率：振蕩頻率： )(21 01CCCffLqq第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 優(yōu)點優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高頻率穩(wěn)定度高。缺點缺點：工作頻段處于：工作頻段處于fq和和f0之間，且電容之間，且電容的串聯(lián)，的串聯(lián)，造成最大頻偏非常小。造成最大頻偏非常小。解決辦法：解決辦法：晶體支路串接小電感，可擴(kuò)展工作頻率區(qū)域。晶體支路串接小電感，可擴(kuò)展工作頻率區(qū)域。進(jìn)行阻抗變換，實現(xiàn)擴(kuò)展。進(jìn)行阻抗變換，實現(xiàn)擴(kuò)展。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 3. 張弛振蕩器直接調(diào)頻電路張弛振蕩器

14、直接調(diào)頻電路張弛振蕩器張弛振蕩器(relaxation oscillator)：可實現(xiàn)可實現(xiàn)三角三角波波和和方波方波的調(diào)頻。的調(diào)頻。工作原理工作原理：兵分兩路：兵分兩路：恒流源產(chǎn)生電流恒流源產(chǎn)生電流I I，電流化電流化分分兩路兩路，一路為一路為I I，一路為一路為I I。勇闖南天門勇闖南天門：門（：門（壓控開關(guān)壓控開關(guān)）；看門）；看門人（人（電壓比較器電壓比較器輸出值輸出值u us s）。）。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 修成正果：修成正果：正果（正果（三角波三角波 u uT T ） 。看門人：看門人： u uT T與比較器與比較器門限值門限值U1,U2U1,U2比較，比較，來決定來決定比較器輸出信

15、號比較器輸出信號u us s的的高電平高電平還是還是低低電平電平，從而決定是打開上邊的門，從而決定是打開上邊的門（a a：I I通過）通過）還是下面的門還是下面的門（b b：I I通過）通過）。電壓比較器：輸出為電壓比較器：輸出為方波方波u us s 。方波方波u us s，三角波，三角波 u uT T頻率與電流頻率與電流I I成正比成正比。 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 當(dāng)當(dāng)有調(diào)制電壓有調(diào)制電壓時，時，調(diào)制信號調(diào)制信號控制恒流源發(fā)生控制恒流源發(fā)生器器，輸出電流為，輸出電流為I I+I I(t)(t)，且，且I I(t)(t)與調(diào)制信與調(diào)制信號成正比。號成正比。方波方波u us s，三角波，三角波u

16、 uT T的頻率就會隨著調(diào)制信號的頻率就會隨著調(diào)制信號線性變化線性變化，完成頻率的調(diào)制。，完成頻率的調(diào)制。I I對應(yīng)的頻率對應(yīng)的頻率為中心頻率。為中心頻率。 三角波調(diào)頻可以轉(zhuǎn)化為正弦波調(diào)頻。三角波調(diào)頻可以轉(zhuǎn)化為正弦波調(diào)頻。 sin2TomTuuUU第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制實現(xiàn)電路總結(jié)調(diào)制實現(xiàn)電路總結(jié)直接調(diào)頻三種辦法：直接調(diào)頻三種辦法：變?nèi)荻O管，晶體振蕩器，變?nèi)荻O管，晶體振蕩器，張馳振蕩器。張馳振蕩器。變?nèi)荻O管：變?nèi)荻O管：可分為可分為C Cj j作為作為回路總電容回路總電容和和回路回路部分電容部分電容兩種接入方法。兩種接入方法。頻率穩(wěn)定相對較差頻率穩(wěn)定相對較差。晶體振蕩器：晶體振蕩器

17、：頻率穩(wěn)定好，但最大頻偏小。頻率穩(wěn)定好，但最大頻偏小。張馳振蕩器張馳振蕩器：可實現(xiàn)方波、三角波調(diào)頻。：可實現(xiàn)方波、三角波調(diào)頻。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.4 鑒頻器與鑒頻方法鑒頻器與鑒頻方法 7.4.1 鑒頻器鑒頻器角調(diào)波的解調(diào)：角調(diào)波的解調(diào)：從從角調(diào)波角調(diào)波中中恢復(fù)恢復(fù)出出原調(diào)制信號原調(diào)制信號的的過程。過程。鑒頻器鑒頻器(frequency demodulation, FD）：調(diào)頻波的解調(diào)：調(diào)頻波的解調(diào)電路，功能：將電路，功能：將調(diào)頻波的瞬時頻率調(diào)頻波的瞬時頻率f變換為相應(yīng)的變換為相應(yīng)的解調(diào)輸出電壓解調(diào)輸出電壓uo。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 鑒相器鑒相器(phase demodulation,

18、 PD)：調(diào)相波的解調(diào)電路。：調(diào)相波的解調(diào)電路。鑒頻特性鑒頻特性：變換器的變換特性。變換器的變換特性。峰值帶寬峰值帶寬Bm：鑒頻特性曲線的頻率間隔。反映鑒頻特性曲線的頻率間隔。反映鑒頻線鑒頻線性度。性度。鑒頻跨導(dǎo)鑒頻跨導(dǎo)SD：鑒頻特性在載頻處的鑒頻特性在載頻處的斜率斜率，又稱，又稱鑒頻靈鑒頻靈敏度敏度。反映輸入頻率轉(zhuǎn)換為輸出電壓的能力。反映輸入頻率轉(zhuǎn)換為輸出電壓的能力。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 7.4.2 鑒頻方法鑒頻方法鑒頻方法：鑒頻方法：直接鑒頻方法直接鑒頻方法和和間接鑒頻方法間接鑒頻方法。直接鑒頻法：直接提取，脈沖計數(shù)式鑒頻法。直接鑒頻法：直接提取，脈沖計數(shù)式鑒頻法。間接鑒頻法：先進(jìn)行各種

19、變換，再提取。間接鑒頻法：先進(jìn)行各種變換，再提取。波形變波形變換換，鎖相環(huán)解調(diào)，鎖相環(huán)解調(diào)，調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)以及以及正交鑒頻正交鑒頻。第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 1. 直接脈沖計數(shù)式鑒頻法直接脈沖計數(shù)式鑒頻法 脈沖計數(shù)式鑒頻器脈沖計數(shù)式鑒頻器：信號頻率就是信號電壓或信號頻率就是信號電壓或電流波形單位時間內(nèi)過零點電流波形單位時間內(nèi)過零點(或零交點或零交點)的次數(shù)，的次數(shù)， 又稱零交點鑒頻器又稱零交點鑒頻器。對于脈沖或數(shù)字信號，信對于脈沖或數(shù)字信號，信號頻率就是信號脈沖的個數(shù)。號頻率就是信號脈沖的個數(shù)。實現(xiàn)原理實現(xiàn)原理：對調(diào)頻信號實施限幅放大；對調(diào)頻信號實施限幅放大；微分，半波整流、單穩(wěn)處

20、理形成脈沖波。微分，半波整流、單穩(wěn)處理形成脈沖波。對脈沖波直接計數(shù)或通過低通濾波實現(xiàn)電壓的解調(diào)。對脈沖波直接計數(shù)或通過低通濾波實現(xiàn)電壓的解調(diào)。 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖71 調(diào)頻波波形調(diào)頻波波形第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖72 調(diào)頻波調(diào)頻波fm、mf與與F的關(guān)系的關(guān)系 Ffmmf0fmmf第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖74 單頻調(diào)制時單頻調(diào)制時FM波的振幅譜波的振幅譜（a）為常數(shù)為常數(shù);（b）m為常數(shù)為常數(shù) 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) （718） 圖圖78 調(diào)相波調(diào)相波fm、mp與與F的關(guān)系的關(guān)系 Ffmmp0fmmp第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖77 調(diào)相波波形調(diào)相波波形第7章 頻率調(diào)制與解調(diào)

21、圖圖71 調(diào)頻波波形調(diào)頻波波形第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 表表71 調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表 第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖710 調(diào)頻特性曲線調(diào)頻特性曲線 U0f第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖712 變?nèi)莨艿淖內(nèi)莨艿腃ju曲線曲線 0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖713 變?nèi)莨茏鳛榛芈房傠娙萑拷尤牖芈纷內(nèi)莨茏鳛榛芈房傠娙萑拷尤牖芈?Rb2Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖714 變?nèi)莨芫€性調(diào)頻原理變?nèi)莨芫€性調(diào)頻原理第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖715 Cj與固定電容串、并聯(lián)后的特性與固定電容串、并聯(lián)后的特性 C/pF7060502010510.10.5125u/VC1CjC2第7章 頻率調(diào)制與解調(diào) 圖圖716 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路舉例變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路舉例 （a）實際電路）實際電路;（b）等效電路）等效電路 1000 pF4.3